Ламповый двухтактный усилитель с нетрадиционным питанием

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: УМЗЧ на лампах

Опубликовано: 19.03.2017 18:48

Просмотров: 8907

Андрей Тимошенко г. Железногорск, Курская обл.
Для питания современных ламповых усилителей чаще всего применяют кенотронные выпрямители напряжения. Их основное преимущество перед полупроводниковыми - задержка подачи анодного напряжения. Однако этой задержки можно добиться и при помощи источника тока, например, на полевом транзисторе. Он же может служить ставшим популярным в последнее время "электронным дросселем". Тем не менее, это устройство не может в полной мере заменить полноценный, "медно-железный" дроссель.

Соотнеся эти факты, мне пришла в голову идея создания лампового усилителя с не совсем стандартным блоком питания. В качестве входной лампы применен двойной триод 6Н9С. Он дал наиболее естественный, живой звук из ряда ламп: 6Н1П, 6Н2П, 6Н23П, ЕСС83, 6Н8С, 6Н9С. 6Н8С по звуку оказалась очень похожа на 6Н1П, звук оказался слегка завуалированным, мутноватым. ЕСС83 похожа на 6Н23П, недаром их любят современные аудиоинженеры (особенно западные) за мягкий, теплый звук. 6Н2П - чисто гитарная лампа, в домашнем аудио ее лучше не применять. Самый живой звук удалось получить именно с лампой 6Н9С. В мощной части усиления применены лампы 6П6С. Для оконечного каскада лампы выбирались из октальных 6ПЗС, 6ПЗС-Е, 6П44СМ, 6П6С, 6П31С. Именно тетроды, никакой триодной романтики. Лампа 6П6С выбрана как самая музыкальная. Данная подборка ламп позволила создать весьма чувствительный усилитель, который при громком воспроизведении музыки не забывает передавать ее тихие нюансы, что весьма ценно. При прослушивании была использована акустика сопротивлением 8 Ом и чувствительностью 91 дБ (Ultimate Stage TR36). С ней усилитель показал потрясающие результаты. Звуковая картина была панорамной, масштабной, не смотря на расстояние между колонками более трех метров. Особенно порадовал бас, даже не было необходимости накручивать его с помощью темброблока на источнике сигнала. Подобная аудиосистема вполне самодостаточна и без сабвуфера. Прослушивание тестовых композиций подтвердило это.
Фазоинверсный каскад (рис. 1), он же входной, осуществлен на обоих триодах лампы 6Н9С.

Перед окончательным монтажом конструкции мною было опробованы два варианта фазоинверторов: вышеупомянутый, а так же фазоинвертор с расщепленной нагрузкой (рис. 2). Единственным достоинством последнего стала простота настройки, которая заключалась в подборе равных величин анодного
и катодного сопротивлений. Балансный каскад сложнее, так как требует настройки не только по постоянному току (для установки рабочей точки на ВАХ), но и по переменному, то есть по величине переменного сигнала на сетке второго триода. Так же немаловажное преимущество балансного каскада-большее (по сравнению с каскадом с расщепленной нагрузкой) усиление. Хотя, как известно, каскад с расщепленной нагрузкой усиления не дает вообще. Однако на входной каскад и фазоинвертор изначально было предусмотрено только два триода в баллоне одной лампы. Поэтому выбор почти однозначно пал на балансный фазоинвертор. При конструировании и настройке фазоинвертора я пользовался источниками [1] и [2]. Вообще ламповые усилители 34 следует рассчитывать "с конца". То есть с выходного каскада. По величине напряжения смещения определяем напряжение раскачки, под это напряжение подбирается драйверный каскад, его лампа, которая выбирается, как правило, из нескольких разных типов по разным критериям. Некоторые из них: внутреннее сопротивление, форма ВАХ, форма баллона, эргономичность. Лампу следует отбирать оптимальной не только для данной схемы, но и для данного корпуса. Не удивляйтесь - по одежке встречают, усилители - в том числе. Схема усилителя приведена на рис. 3. Она двухкаскадная с двухтактным оконечным каскадом. Так как оконечный каскад работает в классе А, то применено автоматическое смещение мощных ламп.
RC-цепочка в анодной нагрузке входных триодов установлена для улучшения работы усилителя. Немногие источники с описанием конструкций, в которых применена такая цепочка, приведены в [3] и [4]. Сопротивление резистора R определяется по формуле: R=Ra-0,12.

R1 -1 Мом; R2-ЗкОм; R3-8,2кОм; R4...R7 - 120 кОм; R8-8,2кОм; R9 - 3 кОм; R10-З00кОм; R11 -20кОм; R12, R13-100кОм.
С1 - 1000*6,3 В; С2 - 1 мкФ*250 В; СЗ, С4 - подобрать экспериментально; С5 - 1 мкФ*250 В; С6 - 1000*6,3 В; С7, С9 - 0,47*250 В; С8 - 0,001 *1000 В (КСО-6Б); С10 - 0,001 *1000 В (КСО-6Б); С11, С13 - 1 мкФ*250 В; С12 - 2200*25 В; 14 - 2200*25 В; С15 - 0,33 мкФ*630 В; С16 - 10 мкФ*400 В; С17 - 0,1 мкФ*400 В; С18, С19 - 47 мкФ*400 В; С20, С21 - 10 мкФ*400 В; С22 - 0,1 мкФ*400 В.
VD1...VD6-1N4007.
Емкость конденсаторов СЗ и С4 определяется экспериментально при подаче на вход усилителя сигнала частотой 1000 Гц. Наблюдается прямоугольный сигнал на выходе каскада. Подбором емкости конденсатора СЗ (С4) добиваемся его наилучшей формы. Лампу 6Н9С стоит подбирать с одинаковыми параметрами обоих ее триодов, здесь это весьма принципиально. Однако для других ламп того же типа значение этой емкости будет уже другим. Конечно же, никто не собирается слушать прямоугольный сигнал, но применение подобной RC-цепочки лишний раз говорит о тщательности настройки каскада.
Лампа 6П6С работает (согласно даташиту [5]) в режиме:
Ua = 250 В;
la = 70 мА;
Uc1 =-15 В;
Uc2 = 250 В;
Ic2 = 5 мА;
Ра = 17,5 Вт;
Raa= 10 кОм;
Рвых = 10 Вт (класс А).
Перевод тетрода 6П6С с большим внутренним сопротивлением в триодный режим не улучшает положения - в таком случае выходная мощность даже в двухтактном варианте не превышает 4 Вт, что, несомненно, недостаточно для желаемого уровня громкости.
По рекомендации, приведенной в [6], в качестве нагрузки входного каскада применено составное сопротивление из двух параллельно соединенных резисторов. Помимо субъективных предпочтений такого способа организации нагрузки, данным способом еще выигрывается максимальная мощность, рассеиваемая на нагрузке.
В устройстве отсутствует регулятор громкости. После многих экспериментов с переменными резисторами, фирмы ALPS - в том числе, они не дали удовлетворительного результата: у некоторых при равном угле поворота ручки регулятора
была разная громкость в каналах усилителя, а большинство давали на звук ощутимое влияние. Поэтому было решено регулировать громкость с источника сигнала - и только тогда звучание стереосистемы стало безукоризненным.
В усилителе питание организованно не совсем традиционно: применены как классические, "железные", так и электронные дроссели.
 Как видно из схемы (рис. 4), в силовом трансформаторе только одна анодная обмотка, общая для обоих каналов. Таким образом получены меньшие фазовые сдвиги между каналами. Как это происходит? Когда анодная обмотка одна, то после выпрямителя стоит один электролит, если анодных обмотки две, то соответственно два электролитических конденсатора. Электролиты даже из одной партии, скорее всего с разной индуктивностью. С этим можно бороться только усреднением, введя много конденсаторов, впрочем, данный подход не оправдан, ибо городить ящик емкостей и экономически, и энергетически не совсем оправдано. Почему? Ну, с денежным вопросом, думаю, всем и так понятно. Давайте рассмотрим цепь "трансформатор-выпрямитель-конденсатор-нагрузка". Источник энергии - это не трансформатор с выпрямителем (они только заряжают конденсатор), а сам конденсатор. Поэтому не важно, какой диод будет стоять - быстрый или нет. Ему главное успевать заряжать конденсатор.
Конечно же, это не исключает емкостей после делителей напряжения в БП, но он не должен быть большим. И не нужно множество батарей из конденсаторов. Более того, по рекомендации Нобу Шишидо [7] именно электролитические конденсаторы малых емкостей следует шунтировать неполярными конденсаторами.
Вторая отличительная черта конструкции - применение двухзвенного источника питания, в котором после LC-фильтра включены два (по количеству каналов) электронных фильтра, выполненных на полевых транзисторах 2SK2996. Печатная плата фильтра представлена на рис. 5. Для поддержки постоянства питания входного каскада можно применить стабилитроны, в том числе - вакуумные.
Конструктивно корпус усилителя выполнен в виде деревянного ящика габаритами 220*500*90 мм. Схема расположения элементов конструкции в нем представлена на рис. 6.
Внешне усилитель оформлен в открытом корпусе, то есть его лампы выведены наружу. Силовой и выходные трансформаторы разнесены в противоположные стороны корпуса, между ними -лампы. Дроссель блока питания расположен рядом с силовым трансформатором, его обмотка защищена декоративным металлическим кожухом.

Материал корпуса - древесина, покрашенная автомобильной краской баллоном-распылителем. Каждый из выходных трансформаторов помещен в индивидуальный чехол, сделанный из поликарбоната, обработанный шпатлевкой и так же покрашенный. В итоге получились вполне красивые чехлы. Пространство между чехлом и трансформатором залито парафином, но вполне допустимо применить и воск. Сборка из чехла и трансформатора монтирована на корпус усилителя при помощи эпоксидной смолы. В месте соединения корпуса и выходных трансформаторов в корпусе следует просверлить отверстия для проводников, идущих от трансформатора. Тонкости:
- все конденсаторы фильтров питания максимально удалены от силового трансформатора и расположены в пространстве под выходными трансформаторами;
- выводы деталей, по схеме идущих к "земле", соединены проводниками в точке между А между каналами усиления (на рис. 4) по топологии "звезда";
- длина соединительных проводов минимальна;
- монтаж навесной, никаких печатных плат;
-  выключатель сетевого напряжения расположен непосредственно рядом с силовым трансформатором, чтобы длину сетевого провода внутри корпуса свести к минимуму.
Выходные трансформаторы рассчитаны по методике, приведенной в [6]. Приведу фрагменты расчета:

Индуктивность первичной обмотки при нижней рабочей частоте (±3 дБ) равно 30 Гц определим по формуле:

Длину магнитной линии определим, исход из геометрических параметров магнитопровода:

Число витков первичной обмотки:

с отводом от середины, естественно.
Вопреки мнениям аудиофорумов я решил не уменьшать это число и, пусть и со сложностями, намотал выходной трансформатор по расчетным данным, получив прекрасные результаты.
Число витков вторичной обмотки:

Диаметр провода первичной обмотки:

Диаметр провода вторичной обмотки:

В качестве магнитопровода использован сердечник от трансформатора ТС-70. Используя его, мы добиваемся нижней частоты воспроизведения 25 Гц (по уровню ±2 дБ). Коэффициент трансформации равен 31. Трансформатор содержит две одинаковые катушки. Каждая из них содержит по 4 секции первичной и две секции вторичной обмоток. Каждая из секций первичной обмотки содержит 850 витков медного провода соответствующего диаметра, каждая из вторичных секций состоит из 40 витков. Все секции первичной и вторичной обмотки соединены между собой соответствующим образом. Межслойная изоляция - конденсаторная бумага, что бы там про нее не говорили. Мотать нужно очень плотно, так как окно магнитопровода невелико. Трансформаторы намотаны с учетом рекомендаций, приведенных в [8]. Все вторичные обмотки соединены последовательно. Вообще, соединять вторичные обмотки последователь или параллельно - не очень хорошо, впрочем, это вопрос отдельный. После намотки катушки (пока еще без магнитопровода) следует проварить в воске или парафине в течение 4-5 часов.
Каждый из выходных трансформаторов проварен в воске и заключен в индивидуальны чехол из поликарбоната. Размеры чехлов: 130*85*110 мм. Пространство между трансформатором и чехлом так же заполнено воском. Нет, не бойтесь, в процессе работы усилителя воск не плавится. Неровности на месте спаев чехлов замазываются шпатлевкой, сушатся и затираются мелкозернистой наждачной бумагой. Готовые чехлы красят из баллона. При работе даже на полную выходную мощность трансформаторы молчат, как и должно быть.
Дроссель L1 содержит две одинаковые обмотки. Он намотан на магнитопроводе из Ш-образных пластин размером 70*80 мм. Толщина набора - 20 мм.
В качестве силового трансформатора применен перемотанный телевизионный ТСШ-170. Напряжения его вторичных обмоток указаны на схеме блока питания (рис. 4).
Максимальная выходная мощность усилителя составляет 10 Вт, но я снял характеристики при уровне выходного сигнала, обычного для эксплуатации в случаях для нагрузок 8 и 4 Ома соответственно. Данные измерений после часового прогрева усилителя для нагрузки 4 Ома приведены в таблице 1, а графики АЧХ приведены соответственно на рис. 7, АЧХ в низкочастотной области отдельно представлены на рис. 8. Уровень при частоте 1 кГц принят за ноль. Измерения проводились по методике, описанной в [9]. Приятно, когда данные, полученные при измерениях, оказываются лучше данных, полученных рассчетным путем (здесь я имею в виду тот факт, что расчетная неравномерность АЧХ была от 30 Гц по уровню ±3 дБ, а измерения показали 25 Гц по уровню ±2 дБ). Настройка
Настройка усилителя заключается в балансировке фазоинвертора. Регулировкой переменного резистора R11 добиваются равенства переменных напряжений на анодах триодов при переменном сигнале на входе усилителя. Далее на вход подают прямоугольный сигнал и подбором, а лучше - плавной подстройкой конденсатора переменной емкости добиваются наилучшей формы прямоугольника на выходе каскада. Затем настраивается оконечный каскад. Очень важно не ввести выходной трансформатор в насыщение, а так как этот каскад двухтактный, то нам необходимо установить равные токи в каждом плече. В конструкции я использовал неподобранные пары ламп 6П6С, что не помешало получить прекрасные результаты. Регулировкой резисторов R14 и R15 добиваемся равных токов анода. Хорошо, если по величине они будут хоть чем-то похожи на значения, указанные в даташите. Резистор обратной связи R* переменный, его сопротивление выбирается по вкусу в пределах от 2,7 до 4,7 кОм. Его регулировкой добиваемся наиболее устойчивой работы на максимальной громкости по басу.
Детали
Несколько слов о комплектации. Катодные полярные конденсаторы от производителей Rubycon и Jamicon, неполярные конденсаторы, стоящие в блоке питания - отечественные, марки К73-17, К73-16, конденсаторы С7 и С9 в ФИ - марки К42У-2, С8 и С10 - марки КСО. Эти конденсаторы, вопреки своему большому возрасту, ведут себя очень нейтрально, и шунтирование ими межкаскадных конденсаторов больших емкостей благоприятно сказывается на звуке. Конденсаторы Wima показали не лучший результат, что совпадает с мнением [10].
Анодные резисторы - углеродистые, марки С2-23-1, остальные -МЛТ или ОМЛТ.
Все лампы очень полезно подобрать в пары по равному току покоя в рабочей точке или хотя бы брать образцы одной даты выпуска из одной партии.

Силовой и выходные трансформаторы максимально удалены друг от друга. Ламповые панельки вмонтированы в П-образную конструкцию из фольгированного текстолита.
Выходные клеммы расположены за выходными трансформаторами, длина проводов между клеммами и трансформаторами - минимальная. Всего 6 клемм для возможности подключения акустики сопротивлением 4 и 8 Ом.


Замены, которых лучше не делать. Аналогом лампы 6П6С является импортная 6V6, а лампа 6Н9С [11] с некоторыми оговорками заменяема на пальчиковую 6Н2П или ЕСС83, хотя любая замена неблагоприятно скажется на звуке, так как, например, лампа 6Н2П только по ВАХ и внутренним характеристикам похожа на 6Н9С, а вот по звуку существенные различия заметны.
Сайт автора:http://heavil.ru
Литература, ресурсы
1.  Трошкин. Фазоинверторы. -CLASS A, 1997, апрель.
2. Кушманов И. Фазоинверсные схемы в усилителях низкой частоты, "Радио", 1953, №4.
3. Торрес А. Двухкаскадный од-нотактный на 6СЗЗС без обратных связей. - Радиохобби, №1/2006.
4. Ранкин Г. Однотактный усилитель на лампе Г-807. - Вестник АРА, №2.
5.  http://www.istok2.com/scan/ 629_1.gif-6П6C.
6. Торпкин М.В. Ламповый Hi-Fi усилитель своими руками. - Наука и техника, Спб, 2006, 272 с.
7.  Nobu К. Shlshido. Transformer Coupled WE-300B, Single-Ended Amp, Glass Audio Vol. 9 3/97.
8.  Тимошенко А. Особенности выходного трансформатора лампового УМЗЧ. - Радиомир, 2009, №9, с. 8.
9.  Пахомов Ю. Основные параметры усилителя НЧ и их измерение. -Радио, 1974, №4, с. 51-54.
10. Дмитриев А. Оценка влияния переходных конденсаторов на звучание усилителя. - Вестник АРА, Специальный выпуск, с. 15-17.
11.  http://klausmobile.narod.ru/td/data/_6n9s.GIF - 6H9C.
Радиолюбитель - 02/03/2010